JP2021023842A - Composite semipermeable membrane - Google Patents

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小川久美子
Kumiko Ogawa
志村晴季
Haruki Shimura
小川貴史
Takashi Ogawa
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Abstract

To provide a composite semipermeable membrane that has practicable permeability and removability, and retains high salt removability after repeated contact with acid and alkali.SOLUTION: A composite semipermeable membrane has a microporous support layer, and a separation functional layer provided on the microporous support layer. The separation functional layer contains a crosslinked aromatic polyamide and the polyamide has a specific moiety.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、液状混合物の選択的分離に有用な半透膜に関し、特に実用性のある透過性と選択分離性を有し、耐久性の高い複合半透膜に関する。 The present invention relates to a semipermeable membrane useful for selective separation of a liquid mixture, and particularly to a composite semipermeable membrane having practical permeability and selective separation and high durability.

液状混合物の膜分離に使用される膜には、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜などがあり、これらの膜は、例えば塩分、有害物を含んだ水などから飲料水を得る場合や、工業用超純水の製造、排水処理、有価物の回収などに用いられている。 Membranes used for membrane separation of liquid mixtures include microfiltration membranes, ultrafiltration membranes, nanofiltration membranes, reverse osmosis membranes, etc., and these membranes are beverages from, for example, salt and water containing harmful substances. It is used to obtain water, to produce industrial ultrapure water, to treat wastewater, and to recover valuable resources.

現在市販されている逆浸透膜およびナノろ過膜の大部分は複合半透膜であり、中でも、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応によって得られる架橋芳香族ポリアミドからなる分離機能層を微多孔性支持膜上に被覆して得られる複合半透膜(特許文献1−2)は、透過性や選択分離性の高い分離膜として広く用いられている。 Most of the reverse osmosis membranes and nanofiltration membranes currently on the market are composite semipermeable membranes, and among them, a separation function composed of a crosslinked aromatic polyamide obtained by a polycondensation reaction between a polyfunctional amine and a polyfunctional acid halide. A composite semipermeable membrane (Patent Document 1-2) obtained by coating a layer on a microporous support membrane is widely used as a separation membrane having high permeability and selective separation.

しかし、複合半透膜を使用し続けると、使用経過時間とともに膜表面に汚れが付着し、膜の膜透過流束が低下する。そのため、ある期間運転後に酸、アルカリなどによる薬液洗浄が必要となるが、それにより膜の分離性能が低下する問題がある。 However, if the composite semipermeable membrane is continuously used, dirt adheres to the membrane surface with the elapsed time of use, and the membrane permeation flux of the membrane decreases. Therefore, it is necessary to wash the chemical solution with an acid, an alkali, or the like after a certain period of operation, which causes a problem that the separation performance of the membrane is deteriorated.

したがって、長期間にわたって安定な運転を継続するために、酸、アルカリなどの薬液洗浄前後での膜性能変化の少ない、すなわち耐酸性と耐アルカリ性が高い複合半透膜の開発が望まれている。 Therefore, in order to maintain stable operation for a long period of time, it is desired to develop a composite semipermeable membrane having little change in membrane performance before and after washing with a chemical solution such as acid or alkali, that is, having high acid resistance and alkali resistance.

複合半透膜の耐アルカリ性を向上させるために、複合半透膜にpH9〜13の水素イオン濃度水溶液を接触させる方法(特許文献3)が開示されている。また、複合半透膜の耐酸性を向上させるために、複合半透膜に環状硫酸エステルを接触させる方法(特許文献4)が開示されている。 In order to improve the alkali resistance of the composite semipermeable membrane, a method of contacting the composite semipermeable membrane with a hydrogen ion concentration aqueous solution having a pH of 9 to 13 (Patent Document 3) is disclosed. Further, in order to improve the acid resistance of the composite semipermeable membrane, a method of bringing a cyclic sulfate ester into contact with the composite semipermeable membrane (Patent Document 4) is disclosed.

特開昭63−137704公報JP-A-63-137704 WO2010/096563WO2010 / 096563 特開2006−102624号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-102624 特開2010−234284号公報JP-A-2010-234284

上述した種々の提案では酸、アルカリそれぞれの薬液への耐久性に優れる膜もあるが、さらに酸とアルカリに繰り返し折衝させたときにも耐久性を備えた膜が望まれている。本発明の目的は、実用に耐える透水性と塩除去性を有し、さらに酸とアルカリに繰り返し接触後も高い塩除去性を有する複合半透膜を提供することにある。 In the various proposals described above, some membranes have excellent durability against acid and alkali chemical solutions, but a membrane having durability even when acid and alkali are repeatedly negotiated is desired. An object of the present invention is to provide a composite semipermeable membrane having water permeability and salt removing property that can withstand practical use, and further having high salt removing property even after repeated contact with an acid and an alkali.

微多孔性支持層と、前記微多孔性支持層上に設けられた分離機能層を有する複合半透膜であって、前記分離機能層が架橋芳香族ポリアミドを含有し、かつ前記ポリアミドが(1)であらわされる部分構造を有することを特徴とする複合半透膜。 A composite semipermeable membrane having a microporous support layer and a separation functional layer provided on the microporous support layer, the separation functional layer containing a crosslinked aromatic polyamide, and the polyamide (1). A composite semipermeable membrane characterized by having a partial structure represented by).

Figure 2021023842
Figure 2021023842

(Ar1〜3は置換基を有していてもよい炭素数5〜14の芳香族環であり、R1〜R3は水素原子または炭素原子1〜10の脂肪族鎖であり、Xは少なくとも1つの正荷電基と少なくとも1つの負荷電基を有する原子団であり、かつXに含まれる炭素数が20以下である。) (Ar1 to 3 are aromatic rings having 5 to 14 carbon atoms which may have a substituent, R1 to R3 are hydrogen atoms or aliphatic chains of carbon atoms 1 to 10, and X is at least one. It is an atomic group having a positively charged group and at least one loaded electric group, and the number of carbon atoms contained in X is 20 or less.)

本発明によって実用性のある透水性と塩除去性を有し、さらに酸アルカリ繰り返し試験後も高い塩除去性を示す複合半透膜が得られる。 According to the present invention, a composite semipermeable membrane having practical water permeability and salt removability and further exhibiting high salt removability even after repeated acid-alkali tests can be obtained.

[1.複合半透膜]
本発明に係る複合半透膜は、支持膜と、支持膜上に形成される分離機能層とを備える。複合半透膜は逆浸透膜またはナノろ過膜としての分離性能を備える。前記分離機能層は実質的に分離性能を有するものであり、支持膜は水を透過するものの実質的にイオン等の分離性能を有さず、分離機能層に強度を与えることができる。
[1. Composite semipermeable membrane]
The composite semipermeable membrane according to the present invention includes a support membrane and a separation functional layer formed on the support membrane. The composite semipermeable membrane has separation performance as a reverse osmosis membrane or a nanofiltration membrane. The separation function layer has substantially separation performance, and although the support membrane allows water to pass through, it does not substantially have separation performance of ions and the like, and can give strength to the separation function layer.

(1)支持膜
本実施形態では、支持膜は、基材および微多孔性支持層を備える。ただし、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、支持膜は、基材を持たず、微多孔性支持層のみで構成されていてもよい。
(1) Support film In the present embodiment, the support film includes a base material and a microporous support layer. However, the present invention is not limited to this configuration. For example, the support film may not have a base material and may be composed only of a microporous support layer.

(1−1)基材
基材としては、ポリエステル系重合体、ポリアミド系重合体、ポリオレフィン系重合体、及びこれらの混合物又は共重合体等が挙げられる。中でも、機械的、熱的に安定性の高いポリエステル系重合体の布帛が特に好ましい。布帛の形態としては、長繊維不織布や短繊維不織布、さらには織編物を好ましく用いることができる。
(1-1) Base material Examples of the base material include polyester-based polymers, polyamide-based polymers, polyolefin-based polymers, and mixtures or copolymers thereof. Of these, polyester-based polymer fabrics with high mechanical and thermal stability are particularly preferable. As the form of the cloth, a long fiber non-woven fabric, a short fiber non-woven fabric, and a woven or knitted fabric can be preferably used.

(1−2)微多孔性支持層
本発明において微多孔性支持層は、イオン等の分離性能を実質的に有さず、分離性能を実質的に有する分離機能層に強度を与えるためのものである。微多孔性支持層の孔のサイズや分布は特に限定されない。例えば、均一で微細な孔、又は分離機能層が形成される側の表面からもう一方の面まで徐々に大きな微細孔をもち、かつ、分離機能層が形成される側の表面で微細孔の大きさが0.1nm以上100nm以下であるような微多孔性支持層が好ましい。支持層に使用する材料やその形状は特に限定されない。
(1-2) Microporous Support Layer In the present invention, the microporous support layer is intended to give strength to a separation functional layer that does not substantially have separation performance such as ions and has substantially separation performance. Is. The size and distribution of the pores in the microporous support layer are not particularly limited. For example, it has uniform and fine pores or gradually larger fine pores from the surface on the side where the separation function layer is formed to the other surface, and the size of the fine pores on the surface on the side where the separation function layer is formed. A microporous support layer having a size of 0.1 nm or more and 100 nm or less is preferable. The material used for the support layer and its shape are not particularly limited.

微多孔性支持層の素材には、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリエステル、セルロース系ポリマー、ビニルポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、及びポリフェニレンオキシド等のホモポリマー又はコポリマーを、単独で又は混合して使用することができる。ここでセルロース系ポリマーとしては酢酸セルロース、硝酸セルロースなど、ビニルポリマーとしてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリルなどが使用できる。 The material of the microporous support layer includes, for example, homopolymers or copolymers such as polysulfone, polyether sulfone, polyamide, polyester, cellulose-based polymer, vinyl polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, and polyphenylene oxide. It can be used alone or in combination. Here, as the cellulosic polymer, cellulose acetate, cellulose nitrate and the like can be used, and as the vinyl polymer, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile and the like can be used.

中でもポリスルホン、ポリアミド、ポリエステル、酢酸セルロース、硝酸セルロース、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホンなどのホモポリマーまたはコポリマーが好ましい。より好ましくは酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、またはポリフェニレンスルホンが挙げられる。さらに、これらの素材の中では化学的、機械的、熱的に安定性が高く、成型が容易であることからポリスルホンが一般的に使用できる。 Of these, homopolymers or copolymers such as polysulfone, polyamide, polyester, cellulose acetate, cellulose nitrate, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyphenylene sulfide, and polyphenylene sulfide sulfone are preferable. More preferably, cellulose acetate, polysulfone, polyphenylene sulfide sulfone, or polyphenylene sulfone can be mentioned. Further, among these materials, polysulfone can be generally used because of its high chemical, mechanical and thermal stability and easy molding.

ポリスルホンは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)でN−メチルピロリドンを溶媒に、ポリスチレンを標準物質として測定した場合の質量平均分子量(Mw)が、10000以上200000以下であることが好ましく、より好ましくは15000以上100000以下である。 The mass average molecular weight (Mw) of polysulfone when measured by gel permeation chromatography (GPC) using N-methylpyrrolidone as a solvent and polystyrene as a standard substance is preferably 10,000 or more and 200,000 or less, more preferably. It is 15,000 or more and 100,000 or less.

ポリスルホンのMwが10000以上であることで、微多孔性支持層として好ましい機械的強度および耐熱性を得ることができる。また、Mwが200000以下であることで、溶液の粘度が適切な範囲となり、良好な成形性を実現することができる。 When the Mw of polysulfone is 10,000 or more, preferable mechanical strength and heat resistance can be obtained as a microporous support layer. Further, when Mw is 200,000 or less, the viscosity of the solution is in an appropriate range, and good moldability can be realized.

例えば、ポリスルホンのN,N−ジメチルホルムアミド(以降、DMFと記載)溶液を、密に織ったポリエステル布又は不織布の上に一定の厚さに注型し、それを水中で湿式凝固させることによって、表面の大部分が直径数10nm以下の微細な孔を有する微多孔性支持層を得ることができる。 For example, a solution of polysulfone in N, N-dimethylformamide (hereinafter referred to as DMF) is cast on a densely woven polyester cloth or non-woven fabric to a certain thickness and wet-coagulated in water. A microporous support layer can be obtained in which most of the surface has fine pores having a diameter of several tens of nm or less.

基材と微多孔性支持層の厚みは、複合半透膜の強度及びそれをエレメントにしたときの充填密度に影響を与える。十分な機械的強度及び充填密度を得るためには、基材と微多孔性支持層の厚みの合計が、30μm以上300μm以下であることが好ましく、100μm以上220μm以下であるとより好ましい。また、微多孔性支持層の厚みは、20μm以上100μm以下であることが好ましい。なお、本書において、特に付記しない限り、厚みとは、平均値を意味する。ここで平均値とは相加平均値を表す。すなわち、基材と微多孔性支持層の厚みは、断面観察で厚み方向に直交する方向(膜の面方向)に20μm間隔で測定した、20点の厚みの平均値を算出することで求められる。 The thickness of the base material and the microporous support layer affects the strength of the composite semipermeable membrane and the packing density when it is used as an element. In order to obtain sufficient mechanical strength and packing density, the total thickness of the base material and the microporous support layer is preferably 30 μm or more and 300 μm or less, and more preferably 100 μm or more and 220 μm or less. The thickness of the microporous support layer is preferably 20 μm or more and 100 μm or less. In this document, unless otherwise specified, the thickness means an average value. Here, the average value represents an arithmetic mean value. That is, the thickness of the base material and the microporous support layer can be obtained by calculating the average value of the thicknesses of 20 points measured at intervals of 20 μm in the direction orthogonal to the thickness direction (plane direction of the film) in the cross-sectional observation. ..

(2)分離機能層
(2−1)分離機能層の化学構造
分離機能層は、架橋芳香族ポリアミドを含有する。特に、分離機能層は、架橋芳香族ポリアミドを主成分として含有することが好ましい。主成分とは分離機能層の成分のうち、50重量%以上を占める成分を指す。分離機能層は、架橋芳香族ポリアミドを50重量%以上含むことにより、高い除去性能を発現することができる。
(2) Separation Function Layer (2-1) Chemical Structure of Separation Function Layer The separation function layer contains a crosslinked aromatic polyamide. In particular, the separation functional layer preferably contains a crosslinked aromatic polyamide as a main component. The principal component refers to a component that accounts for 50% by weight or more of the components of the separation functional layer. The separation functional layer can exhibit high removal performance by containing 50% by weight or more of the crosslinked aromatic polyamide.

本発明における芳香族ポリアミドは、その末端カルボキシ基を介したアミド結合によって(1)であらわされる部分構造を有する。 The aromatic polyamide in the present invention has a partial structure represented by (1) by an amide bond via its terminal carboxy group.

Figure 2021023842
Figure 2021023842

(Ar1〜3は置換基を有していてもよい炭素数5〜14の芳香族環であり、R1〜R3は水素原子または炭素原子1〜10の脂肪族鎖であり、Xは少なくとも1つの正荷電基と少なくとも1つの負荷電基を有する原子団であり、かつXに含まれる炭素数が20以下である。)
式(1)における繰り返し単位(括弧内の構造)は、多官能芳香族アミンと多官能芳香族酸クロリドとの重合物であることが好ましい。
(Ar1 to 3 are aromatic rings having 5 to 14 carbon atoms which may have a substituent, R1 to R3 are hydrogen atoms or aliphatic chains of carbon atoms 1 to 10, and X is at least one. It is an atomic group having a positively charged group and at least one loaded electric group, and the number of carbon atoms contained in X is 20 or less.)
The repeating unit (structure in parentheses) in the formula (1) is preferably a polymer of a polyfunctional aromatic amine and a polyfunctional aromatic acid chloride.

式(1)における末端Xは、少なくとも1つの正荷電基と少なくとも1つの負荷電基を有する。Xが有する置換基がpHに依存しない常解離性であることで、酸やアルカリに接触しても構造が変化せず、荷電反発による膨潤が起こらないため、耐酸性や耐アルカリ性が向上する。
また負荷電基と同時に正荷電基を持つことにより、膜表面の荷電が中和され、重金属などが膜面に付着することが抑制される利点がある。さらに、荷電基を有することで親水性が向上し、使用に際し良好な透水性を得ることができる。
The terminal X in the formula (1) has at least one positively charged group and at least one loaded electric group. Since the substituent of X is pH-independent, the structure does not change even when it comes into contact with an acid or an alkali, and swelling due to charge repulsion does not occur, so that acid resistance and alkali resistance are improved.
Further, having a positively charged group at the same time as the load electric group has an advantage that the charge on the film surface is neutralized and the adhesion of heavy metals and the like to the film surface is suppressed. Furthermore, having a charged group improves hydrophilicity, and good water permeability can be obtained during use.

部分構造(1)におけるXの有する炭素数は20以下であることが好ましく、より好ましくは15以下、さらに好ましくは10以下である。炭素数が20以下であることで、親水性基に対する疎水性部位の割合が小さくなるため、膜の透水性は大きくなる。 The number of carbon atoms of X in the partial structure (1) is preferably 20 or less, more preferably 15 or less, still more preferably 10 or less. When the number of carbon atoms is 20 or less, the ratio of the hydrophobic site to the hydrophilic group becomes small, so that the water permeability of the membrane becomes large.

Xの有する正荷電基と負荷電基の間に存在する炭素数は適宜選択することができるが、除去性の観点から1〜4であることが好ましい。アニオン性基近傍にカチオン性基を固定化することで、多価イオンとの凝集を抑制し、除去性が向上する。 The number of carbon atoms existing between the positively charged group and the loaded electric group of X can be appropriately selected, but is preferably 1 to 4 from the viewpoint of removability. By immobilizing the cationic group in the vicinity of the anionic group, aggregation with the multivalent ion is suppressed and the removability is improved.

Xが有する正荷電基として、アンモニウムカチオン、ホスホニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオンが挙げられる。溶解時の粘性、分子鎖の拡がりの観点から、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオンがより好ましい。Xは2つ以上の正荷電基を含有し得るが、中でも1個〜2個の正荷電基を含有することが好ましい。 Examples of the positively charged group possessed by X include ammonium cation, phosphonium cation, imidazolium cation, pyridinium cation, and pyrrolidinium cation. From the viewpoint of viscosity at the time of dissolution and expansion of the molecular chain, imidazolium cation and pyridinium cation are more preferable. X may contain two or more positively charged groups, but preferably contains one or two positively charged groups.

Xは、負荷電基として、カルボアニオン、スルホアニオン、及びホスホアニオンのうちから選ばれる少なくとも1種の官能基を有することが好ましい。負荷電基の構造例を下記式に示す。Xは、2つ以上の負荷電基を含有し得るが、中でも1個〜2個の負荷電基を含有することが好ましい。 X preferably has at least one functional group selected from a carbanion, a sulfo anion, and a phospho anion as a load electric group. An example of the structure of the load electric group is shown in the following formula. X may contain two or more load electric groups, but it is preferable that X contains one or two load electric groups.

Figure 2021023842
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また、分離機能層における半脂肪族アミド基とカルボキシ基のモル比(半脂肪族アミド基/カルボキシ基)×10をxとしたとき、2.5≦xであるときに、高い除去性を有することを見出した。カルボキシ基は多価イオンと静電親和しやすいため、処理水質によっては荷電反発が減弱化、塩除去率が低下する。2.5≦xであることで、(1)であらわされる部分構造を十分に有するため、除去性が担保される。 Further, when the molar ratio of the semi-aliphatic amido groups and carboxyl group in the separation functional layer (semi-aliphatic amido group / carboxyl group) × 10 2 was x, when it is 2.5 ≦ x, high removability Found to have. Since the carboxy group tends to have electrostatic affinity with multivalent ions, the charge repulsion is attenuated and the salt removal rate is lowered depending on the quality of the treated water. When 2.5 ≦ x, the partial structure represented by (1) is sufficiently provided, so that removability is ensured.

Xの主鎖部分は環式であっても鎖式であってもよく、また、飽和結合のみで形成されても不飽和結合が含まれていてもよく、得たい性能により適宜選択することができる。
これらのポリアミド中の官能基量は、例えば、13C固体NMR測定で求めることができる。具体的には、複合半透膜から基材を剥離し、分離機能層と多孔性支持層を得た後、多孔性支持層を溶解・除去し、分離機能層を得る。得られた分離機能層をDD/MAS−13C固体NMR測定を行い、各官能基が結合している炭素原子のピークの積分値を算出する。この積分値から各官能基量を同定できる。13C固体NMRで測定される官能基としては、具体的には、カルボキシ基、アミノ基、芳香族アミド基、半脂肪族アミド基、及びX内の脂肪族鎖部が想定される。なお、半脂肪族アミド基とはアミド基の両隣の原子団がそれぞれ脂肪族鎖及び芳香族鎖であるアミド基を意味する。
The main chain portion of X may be a ring type or a chain type, and may be formed only by a saturated bond or may contain an unsaturated bond, and may be appropriately selected depending on the desired performance. it can.
The amount of functional groups in these polyamides can be determined, for example, by 13C solid-state NMR measurement. Specifically, the base material is peeled off from the composite semipermeable membrane to obtain a separation functional layer and a porous support layer, and then the porous support layer is dissolved and removed to obtain a separation functional layer. The obtained separation functional layer is subjected to DD / MAS-13C solid-state NMR measurement, and the integrated value of the peak of the carbon atom to which each functional group is bonded is calculated. The amount of each functional group can be identified from this integrated value. As the functional group measured by 13C solid-state NMR, specifically, a carboxy group, an amino group, an aromatic amide group, a semi-aliphatic amide group, and an aliphatic chain portion in X are assumed. The semi-aliphatic amide group means an amide group in which the atomic groups on both sides of the amide group are an aliphatic chain and an aromatic chain, respectively.

本発明において、pH3におけるゼータ電位とpH10におけるゼータ電位の差は20mV以下であることが好ましい。より好ましくは15mV以下、更に好ましくは10mV以下である。ゼータ電位とは超薄膜層表面の正味の固定電荷の尺度である。ポリアミド分離機能層には、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物に由来する未反応のアミノ基とカルボキシル基が含まれ、それら官能基の解離度によってゼータ電位の値が変化する。pH3においては未反応アミノ基が解離し、pH10においては未反応カルボキシ基が解離している。また、部分構造(1)におけるXの有する正荷電基、負荷電基はpH3、pH10いずれにおいても解離すると考えられる。pH3とpH10におけるゼータ電位の差が20mV以下であるとき、酸、アルカリ接触によるpH変化に伴う荷電バランスの変化が小さいため、親水性変化や静電反発が小さくなり、酸アルカリ繰り返し接触時も性能が変化しにくい。 In the present invention, the difference between the zeta potential at pH 3 and the zeta potential at pH 10 is preferably 20 mV or less. It is more preferably 15 mV or less, still more preferably 10 mV or less. Zeta potential is a measure of the net fixed charge on the surface of the ultrathin film layer. The polyamide separation functional layer contains unreacted amino groups and carboxyl groups derived from polyfunctional amines and polyfunctional acid halides, and the zeta potential value changes depending on the degree of dissociation of these functional groups. At pH 3, the unreacted amino group is dissociated, and at pH 10, the unreacted carboxy group is dissociated. Further, it is considered that the positively charged group and the loaded electric group of X in the partial structure (1) dissociate at both pH 3 and pH 10. When the difference between the zeta potentials at pH 3 and pH 10 is 20 mV or less, the change in charge balance due to the pH change due to acid-alkali contact is small, so the hydrophilic change and electrostatic repulsion are small, and the performance even during repeated acid-alkali contact. Is hard to change.

なお、ゼータ電位は、電気泳動光散乱光度計により測定できる。例えば、平板試料用セルに、複合半透膜の分離機能層面がモニター粒子溶液に接するようにセットして測定する。モニター粒子はポリスチレンラテックスをヒドロキシプロピルセルロースでコーティングしたもので、10mM−NaCl溶液に分散させてモニター粒子溶液とする。モニター粒子溶液のpHを調整しておくことで所定のpHでのゼータ電位を測定することができる。電気泳動光散乱光度計は、大塚電子株式会社製ELS−8000などが使用できる。 The zeta potential can be measured by an electrophoretic light scattering photometer. For example, the separation functional layer surface of the composite semipermeable membrane is set in a flat sample cell so as to be in contact with the monitor particle solution for measurement. The monitor particles are polystyrene latex coated with hydroxypropyl cellulose and dispersed in a 10 mM- NaCl solution to prepare a monitor particle solution. By adjusting the pH of the monitor particle solution, the zeta potential at a predetermined pH can be measured. As the electrophoresis light scattering photometer, ELS-8000 manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd. or the like can be used.

2.複合半透膜の製造方法
(1)分離機能層の形成方法
上記の分離機能層は、多官能芳香族アミン、多官能芳香族酸クロリド、脂肪族カルボン酸誘導体を化学反応させることにより得られる。主骨格である架橋芳香族ポリアミドは、多官能芳香族アミンと多官能芳香族酸クロリドの重合反応により構築される。
2. 2. Method for producing composite semipermeable membrane (1) Method for forming separation functional layer The above separation functional layer is obtained by chemically reacting a polyfunctional aromatic amine, a polyfunctional aromatic acid chloride, and an aliphatic carboxylic acid derivative. The crosslinked aromatic polyamide, which is the main skeleton, is constructed by a polymerization reaction of a polyfunctional aromatic amine and a polyfunctional aromatic acid chloride.

多官能芳香族アミンとは、一分子中に第一級アミノ基及び第二級アミノ基のうち少なくとも一方のアミノ基を2個以上有し、かつ、アミノ基のうち少なくとも1つは第一級アミノ基である芳香族アミンを意味する。多官能芳香族アミンとしては、例えば、o−フェニレンジアミン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、o−キシリレンジアミン、m−キシリレンジアミン、p−キシリレンジアミン、o−ジアミノピリジン、m−ジアミノピリジン、p−ジアミノピリジン等の2個のアミノ基がオルト位やメタ位、パラ位のいずれかの位置関係で芳香環に結合した多官能芳香族アミン、1,3,5−トリアミノベンゼン、1,2,4−トリアミノベンゼン、3,5−ジアミノ安息香酸、3−アミノベンジルアミン、4−アミノベンジルアミンなどの多官能芳香族アミンなどが挙げられる。特に、膜の選択分離性や透過性、耐熱性を考慮すると、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、及び1,3,5−トリアミノベンゼンが好適に用いられる。中でも、入手の容易性や取り扱いのしやすさから、m−フェニレンジアミンを用いることがより好ましい。これらの多官能芳香族アミンは、単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 The polyfunctional aromatic amine has two or more amino groups of at least one of a primary amino group and a secondary amino group in one molecule, and at least one of the amino groups is primary. It means an aromatic amine which is an amino group. Examples of the polyfunctional aromatic amine include o-phenylenediamine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, o-xylylene diamine, m-xylylene diamine, p-xylylene diamine, o-diaminopyridine, and m-. A polyfunctional aromatic amine in which two amino groups such as diaminopyridine and p-diaminopyridine are bonded to an aromatic ring at any of the ortho-position, meta-position, and para-position, 1,3,5-triaminobenzene. , 1,2,4-triaminobenzene, 3,5-diaminobenzoic acid, 3-aminobenzylamine, 4-aminobenzylamine and other polyfunctional aromatic amines. In particular, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, and 1,3,5-triaminobenzene are preferably used in consideration of selective separability, permeability, and heat resistance of the membrane. Above all, it is more preferable to use m-phenylenediamine from the viewpoint of easy availability and ease of handling. These polyfunctional aromatic amines may be used alone or in combination of two or more.

多官能芳香族酸クロリドとは、一分子中に少なくとも2個のクロロカルボニル基を有する芳香族酸クロリドをいう。例えば、3官能酸クロリドでは、トリメシン酸クロリドなどを挙げることができ、2官能酸クロリドでは、ビフェニルジカルボン酸ジクロリド、アゾベンゼンジカルボン酸ジクロリド、テレフタル酸クロリド、イソフタル酸クロリド、ナフタレンジカルボン酸クロリドなどを挙げることができる。膜の選択分離性、耐熱性を考慮すると、一分子中に2〜4個の塩化カルボニル基を有する多官能芳香族酸クロリドであることが好ましい。膜の選択分離性や透過性、耐熱性を考慮すると、トリメシン酸クロリドがより好ましい。これらの多官能芳香族酸クロリドは、単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 The polyfunctional aromatic acid chloride refers to an aromatic acid chloride having at least two chlorocarbonyl groups in one molecule. For example, the trifunctional acid chloride includes trimesic acid chloride and the like, and the bifunctional acid chloride includes biphenyldicarboxylic acid dichloride, azobenzenedicarboxylic acid dichloride, terephthalic acid chloride, isophthalic acid chloride, naphthalenedicarboxylic acid chloride and the like. Can be done. Considering the selective separability and heat resistance of the membrane, a polyfunctional aromatic acid chloride having 2 to 4 carbonyl chloride groups in one molecule is preferable. Trimesic acid chloride is more preferable in consideration of selective separability, permeability and heat resistance of the membrane. These polyfunctional aromatic acid chlorides may be used alone or in combination of two or more.

ここで、多官能芳香族アミンおよび多官能芳香族酸クロリドについて、少なくとも一方が3官能以上の化合物を含んでいることが好ましい。これにより、剛直な分子鎖が得られ、水和イオンやホウ素などの微細な溶質を除去するための良好な孔構造が形成される。 Here, it is preferable that at least one of the polyfunctional aromatic amine and the polyfunctional aromatic acid chloride contains a trifunctional or higher functional compound. As a result, a rigid molecular chain is obtained, and a good pore structure for removing fine solutes such as hydrated ions and boron is formed.

化学反応の方法として、界面重合法が生産性、性能の観点から最も好ましい。以下、界面重合の工程について説明する。 As a method of chemical reaction, the interfacial polymerization method is most preferable from the viewpoint of productivity and performance. Hereinafter, the step of interfacial polymerization will be described.

界面重合の工程は、(a)多官能芳香族アミンを含有する水溶液を多孔性支持層上に接触させる工程と、(b)多官能芳香族アミンを含有する水溶液を接触させた多孔性支持層に多官能芳香族酸クロリド溶液を接触させる工程と、(c)接触後の有機溶媒溶液を液切りする工程と、(d)有機溶媒溶液を液切りした複合半透膜を熱水で洗浄する工程、を有する。 The steps of interfacial polymerization are (a) a step of contacting an aqueous solution containing a polyfunctional aromatic amine on the porous support layer and (b) a porous support layer in which an aqueous solution containing a polyfunctional aromatic amine is brought into contact. The step of contacting the polyfunctional aromatic acid chloride solution with the water, (c) the step of draining the organic solvent solution after the contact, and (d) washing the composite semipermeable membrane obtained by draining the organic solvent solution with hot water. Has a process.

なお本欄では、支持膜が基材と微多孔性支持層とを備える場合を例に挙げるが、支持膜が別の構成を備える場合は、「微多孔性支持層」を「支持膜」と読み替えればよい。 In this column, an example is given when the support film includes a base material and a microporous support layer, but when the support film has a different configuration, the “microporous support layer” is referred to as a “support film”. It should be read as.

工程(a)において、多官能芳香族アミン水溶液における多官能芳香族アミンの濃度は0.1重量%以上20重量%以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは0.5重量%以上15重量%以下の範囲内である。多官能芳香族アミンの濃度がこの範囲であると十分な溶質除去性能および透水性を得ることができる。 In the step (a), the concentration of the polyfunctional aromatic amine in the aqueous solution of the polyfunctional aromatic amine is preferably in the range of 0.1% by weight or more and 20% by weight or less, more preferably 0.5% by weight or more and 15% by weight. It is within the range of weight% or less. When the concentration of the polyfunctional aromatic amine is in this range, sufficient solute removal performance and water permeability can be obtained.

多官能芳香族アミン水溶液の接触は、微多孔性支持層上に均一かつ連続的に行うことが好ましい。具体的には、例えば、多官能芳香族アミン水溶液を微多孔性支持層にコーティングする方法や、微多孔性支持層を多官能芳香族アミン水溶液に浸漬する方法などを挙げることができる。微多孔性支持層と多官能芳香族アミン水溶液との接触時間は、1秒以上10分間以下であることが好ましく、10秒以上3分間以下であるとさらに好ましい。 The contact of the polyfunctional aromatic amine aqueous solution is preferably performed uniformly and continuously on the microporous support layer. Specifically, for example, a method of coating the microporous support layer with a polyfunctional aromatic amine aqueous solution, a method of immersing the microporous support layer in the polyfunctional aromatic amine aqueous solution, and the like can be mentioned. The contact time between the microporous support layer and the aqueous solution of the polyfunctional aromatic amine is preferably 1 second or more and 10 minutes or less, and more preferably 10 seconds or more and 3 minutes or less.

多官能芳香族アミン水溶液を微多孔性支持層に接触させた後は、膜上に液滴が残らないように十分に液切りする。十分に液切りすることで、微多孔性支持層形成後に液滴残存部分が膜欠点となって除去性能が低下することを防ぐことができる。液切りの方法としては、例えば、特開平2−78428号公報に記載されているように、多官能芳香族アミン水溶液接触後の支持膜を垂直方向に把持して過剰の水溶液を自然流下させる方法や、エアーノズルから窒素などの気流を吹き付け、強制的に液切りする方法などを用いることができる。また、液切り後、膜面を乾燥させて水溶液の水分を一部除去することもできる。 After the polyfunctional aromatic amine aqueous solution is brought into contact with the microporous support layer, the liquid is sufficiently drained so that no droplets remain on the membrane. By draining the liquid sufficiently, it is possible to prevent the remaining portion of the droplet from becoming a film defect and deteriorating the removal performance after the formation of the microporous support layer. As a method of draining the liquid, for example, as described in JP-A-2-78428, a method of vertically grasping the support membrane after contact with the polyfunctional aromatic amine aqueous solution and allowing the excess aqueous solution to flow down naturally. Alternatively, a method of forcibly draining the liquid by blowing an air stream such as nitrogen from an air nozzle can be used. Further, after draining the liquid, the film surface can be dried to partially remove the water content of the aqueous solution.

工程(b)において、有機溶媒溶液中の多官能芳香族酸クロリドの濃度は、0.01重量%以上10重量%以下の範囲内であると好ましく、0.02重量%以上2.0重量%以下の範囲内であるとさらに好ましい。0.01重量%以上とすることで十分な反応速度が得られ、また、10重量%以下とすることで副反応の発生を抑制することができるためである。 In the step (b), the concentration of the polyfunctional aromatic acid chloride in the organic solvent solution is preferably in the range of 0.01% by weight or more and 10% by weight or less, and 0.02% by weight or more and 2.0% by weight or less. It is more preferably within the following range. This is because a sufficient reaction rate can be obtained when the content is 0.01% by weight or more, and the occurrence of side reactions can be suppressed when the content is 10% by weight or less.

有機溶媒は、水と非混和性であり、かつ多官能芳香族酸クロリドを溶解し、支持膜を破壊しないものが好ましく、多官能芳香族アミンおよび多官能芳香族酸クロリドに対して不活性であるものであればよい。好ましい例として、n−ノナン、n−デカン、n−ウンデカン、n−ドデカン、イソオクタン、イソデカン、イソドデカンなどの炭化水素化合物および混合溶媒が挙げられる。 The organic solvent is preferably immiscible with water, dissolves the polyfunctional aromatic acid chloride, and does not destroy the support film, and is inactive to the polyfunctional aromatic amine and the polyfunctional aromatic acid chloride. Anything is fine. Preferred examples include hydrocarbon compounds such as n-nonane, n-decane, n-undecane, n-dodecane, isooctane, isodecan, isododecane and mixed solvents.

多官能芳香族酸クロリドの有機溶媒溶液の多官能芳香族アミン水溶液と接触させた微多孔性支持層への接触の方法は、多官能芳香族アミン水溶液の微多孔性支持層への被覆方法と同様に行えばよい。 The method of contacting the microporous support layer in which the organic solvent solution of the polyfunctional aromatic acid chloride is brought into contact with the polyfunctional aromatic amine aqueous solution is the method of coating the microporous support layer of the polyfunctional aromatic amine aqueous solution. You can do the same.

工程(c)において、反応後の有機溶媒溶液を液切りする工程により、有機溶媒を除去する。有機溶媒の除去は、例えば、膜を垂直方向に把持して過剰の有機溶媒を自然流下して除去する方法、送風機で風を吹き付けることで有機溶媒を乾燥除去する方法、水とエアーの混合流体で過剰の有機溶媒を除去する方法等を用いることができる。 In step (c), the organic solvent is removed by the step of draining the organic solvent solution after the reaction. To remove the organic solvent, for example, a method of grasping the membrane in the vertical direction and naturally flowing down the excess organic solvent to remove the organic solvent, a method of drying and removing the organic solvent by blowing wind with a blower, a mixed fluid of water and air. A method of removing excess organic solvent can be used.

工程(d)において、有機溶媒を除去した複合半透膜を熱水で洗浄する。熱水の温度としては40℃以上100℃以下、好ましくは60℃以上100℃以下である。 In step (d), the composite semipermeable membrane from which the organic solvent has been removed is washed with hot water. The temperature of hot water is 40 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, preferably 60 ° C. or higher and 100 ° C. or lower.

こうして、末端カルボキシ基を有する架橋芳香族ポリアミド(下記式(2))を含む層が形成される。 In this way, a layer containing a crosslinked aromatic polyamide having a terminal carboxy group (formula (2) below) is formed.

Figure 2021023842
Figure 2021023842

(Ar1〜3は置換基を有していてもよい炭素数5〜14の芳香族環であり、R2〜3は水素原子または炭素原子が1〜10の脂肪族鎖である。)
次に、上記(1)であらわされる部分構造を架橋芳香族ポリアミドに付与する。
(Ar1 to 3 are aromatic rings having 5 to 14 carbon atoms which may have a substituent, and R2 to 3 are aliphatic chains having 1 to 10 hydrogen atoms or carbon atoms.)
Next, the partial structure represented by (1) above is imparted to the crosslinked aromatic polyamide.

部分構造の付与は、少なくとも1つの正荷電基と少なくとも1つの負荷電基を有し、かつカルボキシ基反応性官能基を有する化合物を、架橋芳香族ポリアミドの末端カルボキシ基と反応させることで行われる。具体的には、イミダゾール、ヒスチジン、ヒスタミンを出発物質としてN−アルキル化した後負荷電を付与した化合物のアミノ基を、分離機能層が有するカルボキシ基と反応させる。以下に反応させる化合物の例を示す。 The partial structure is imparted by reacting a compound having at least one positively charged group and at least one loaded electric group and having a carboxy group reactive functional group with the terminal carboxy group of the crosslinked aromatic polyamide. .. Specifically, the amino group of the compound which has been N-alkylated with imidazole, histidine, and histamine as a starting material and then subjected to loading electricity is reacted with the carboxy group of the separation functional layer. Examples of the compounds to be reacted are shown below.

Figure 2021023842
Figure 2021023842

高効率かつ短時間での反応のため、必要に応じ、種々の反応助剤(縮合促進剤)を利用することが好ましい。縮合促進剤として、硫酸、4-(4,6-ジメトキシ-1,3,5-トリアジン-2-イル)-4-メチルモルホリニウムクロリド(以下、DMT-MMという)、 1-(3-ジメチルアミノプロピル)-3-エチルカルボジイミド塩酸塩、N,N'-ジシクロヘキシルカルボジイミド、N,N’-ジイソプロピルカルボジイミド、N,N’-カルボニルジイミダゾール、1,1’-カルボニルジ(1,2,4-トリアゾール)、1H-ベンゾトリアゾール-1-イルオキシトリス(ジメチルアミノ)ホスホニウムヘキサフルオロりん酸塩、1H-ベンゾトリアゾール-1-イルオキシトリス(ジメチルアミノ)ホスホニウムヘキサフルオロりん酸塩、(7-アザベンゾトリアゾール-1-イルオキシ)トリピロリジノホスホニウムヘキサフルオロりん酸塩、クロロトリピロリジノホスホ二ウムヘキサフルオロりん酸塩、ブロモトリス(ジメチルアミノ)ホスホニウムヘキサフルオロりん酸塩、3-(ジエトキシホスホリルオキシ)-1,2,3-ベンゾトリアジン-4(3H)-オン、O-(ベンゾトリアゾール-1-イル)-N,N,N’,N’-テトラメチルウロニウムヘキサフルオロりん酸塩、O-(7-アザベンゾトリアゾール-1-イル)-N,N,N’,N’-テトラメチルウロニウムヘキサフルオロりん酸塩、O-(N-スクシンイミジル)-N,N,N’,N’-テトラメチルウロニウムテトラフルオロほう酸塩、O-(N-スクシンイミジル)-N,N,N’,N’-テトラメチルウロニウムヘキサフルオロりん酸塩、O-(3,4-ジヒドロ-4-オキソ-1,2,3-ベンゾトリアジン-3-イル)-N,N,N’,N’-テトラメチルウロニウムテトラフルオロほう酸塩、トリフルオロメタンスルホン酸(4,6-ジメトキシ-1,3,5-トリアジン-2-イル)-(2-オクトキシ-2-オキソエチル)ジメチルアンモニウム、S-(1-オキシド-2-ピリジル)-N,N,N’,N’-テトラメチルチウロニウムテトラフルオロほう酸塩、O-[2-オキソ-1(2H)-ピリジル]-N,N,N’,N’-テトラメチルウロニウムテトラフルオロほう酸塩、{{[(1-シアノ-2-エトキシ-2-オキソエチリデン)アミノ]オキシ}-4-モルホリノメチレン}ジメチルアンモニウムヘキサフルオロりん酸塩、2-クロロ-1,3-ジメチルイミダゾリニウムヘキサフルオロりん酸塩、1-(クロロ-1-ピロリジニルメチレン)ピロリジニウムヘキサフルオロりん酸塩、2-フルオロ-1,3-ジメチルイミダゾリニウムヘキサフルオロりん酸塩、フルオロ-N,N,N’,N’-テトラメチルホルムアミジニウムヘキサフルオロりん酸塩、などが例として挙げられる。 For a highly efficient and short-time reaction, it is preferable to use various reaction aids (condensation accelerators) as needed. As a condensation accelerator, sulfate, 4- (4,6-dimethoxy-1,3,5-triazine-2-yl) -4-methylmorpholinium chloride (hereinafter referred to as DMT-MM), 1- (3- (3-) Didimethylaminopropyl) -3-ethylcarbodiimide hydrochloride, N, N'-dicyclohexylcarbodiimide, N, N'-diisopropylcarbodiimide, N, N'-carbonyldiimidazole, 1,1'-carbonyldi (1,2,4) -Triazole), 1H-benzotriazole-1-yloxytris (dimethylamino) phosphonium hexafluorophosphate, 1H-benzotriazole-1-yloxytris (dimethylamino) phosphonium hexafluorophosphate, (7-aza Benzotriazole-1-yloxy) tripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate, chlorotripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate, bromotris (dimethylamino) phosphonium hexafluorophosphate, 3- (diethoxyphosphoryloxy) -1,2,3-benzotriazine-4 (3H) -one, O- (benzotriazole-1-yl) -N, N, N', N'-tetramethyluronium hexafluorophosphate, O- (7-azabenzotriazole-1-yl) -N, N, N', N'-tetramethyluronium hexafluorophosphate, O- (N-succinimidyl)-N, N, N', N'- Tetramethyluronium tetrafluoroborate, O- (N-succinimidyl) -N, N, N', N'-tetramethyluronium hexafluorophosphate, O- (3,4-dihydro-4-oxo-) 1,2,3-benzotriazine-3-yl) -N, N, N', N'-tetramethyluronium tetrafluoroborate, trifluoromethanesulfonic acid (4,6-dimethoxy-1,3,5- Triazine-2-yl)-(2-octoxy-2-oxoethyl) dimethylammonium, S- (1-oxide-2-pyridyl) -N, N, N', N'-tetramethylthiuronium tetrafluoroborate , O- [2-oxo-1 (2H) -pyridyl] -N, N, N', N'-tetramethyluronium tetrafluoroborate, {{[(1-cyano-2-ethoxy-2-oxo) Ethiliden) Amino] Oxy} -4-morpholinomethylene} Dimethylammonium hexafluorophosphate, 2-chloro-1,3-dimethylimidazolinium hexafluoro Phosphate, 1- (chloro-1-pyrrolidinyl methylene) pyrrolidinium hexafluorophosphate, 2-fluoro-1,3-dimethylimidazolinium hexafluorophosphate, fluoro-N, N, N Examples include', N'-tetramethylform amidineium hexafluorophosphate.

該化合物を接触させる方法としては、複合半透膜の分離機能層上にコーティングすることで反応させてもよいし、該化合物またはそれを含む溶液に、分離機能層を含む膜を浸漬して反応させてもよい。また、後述する複合半透膜エレメントを作成してから該化合物を含む溶液を通液処理して反応させてもよい。 As a method of bringing the compound into contact, the reaction may be carried out by coating on the separation functional layer of the composite semipermeable membrane, or the membrane containing the separation functional layer is immersed in the compound or a solution containing the compound to react. You may let me. Alternatively, a composite semipermeable membrane element, which will be described later, may be prepared and then a solution containing the compound may be passed through and reacted.

該化合物を溶液として、またはそのまま複合半透膜に塗布する際の反応時間および温度は、該化合物の種類、塗布方法により適宜調整可能である。該化合物を溶液として塗布する際には、溶液の濃度は10mmol/L以上であることが好ましい。10mmol/L以上であることで、機能層のポリアミド末端のカルボキシ基と該化合物が十分に反応し、分離機能層の耐酸性及び耐アルカリ性向上効果が得られる。 The reaction time and temperature when the compound is applied as a solution or as it is to the composite semipermeable membrane can be appropriately adjusted depending on the type of the compound and the application method. When the compound is applied as a solution, the concentration of the solution is preferably 10 mmol / L or more. When it is 10 mmol / L or more, the carboxy group at the polyamide terminal of the functional layer reacts sufficiently with the compound, and the acid resistance and alkali resistance improving effect of the separation functional layer can be obtained.

また、上記架橋ポリアミド中に存在するアミノ基を適宜選択した化学反応による改質処理で変換することによって、新たな官能基を導入し、複合半透膜の性能を向上することができる。 新たな官能基としては、例えば、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、ハロゲノ基、水酸基、エーテル基、チオエーテル基、エステル基、アルデヒド基、ニトロ基、ニトロソ基、ニトリル基、及びアゾ基等が挙げられる。なかでも酸やアルカリと接触したときに解離が起こらない中性官能基であるニトロ基やアルキル基を導入することで、酸アルカリに繰り返し接触しても性能が変化しにくくより好ましい。 Further, by converting the amino group existing in the crosslinked polyamide by a modification treatment by an appropriately selected chemical reaction, a new functional group can be introduced and the performance of the composite semipermeable membrane can be improved. Examples of the new functional group include an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a halogeno group, a hydroxyl group, an ether group, a thioether group, an ester group, an aldehyde group, a nitro group, a nitroso group, a nitrile group, an azo group and the like. Be done. Among them, it is more preferable to introduce a nitro group or an alkyl group, which are neutral functional groups that do not dissociate when they come into contact with an acid or an alkali, because the performance does not change even if they come into contact with an acid or an alkali repeatedly.

(2)支持膜の形成方法
本発明に使用する微多孔性支持層は、ミリポア社製“ミリポアフィルターVSWP”(商品名)や、東洋濾紙社製“ウルトラフィルターUK10”(商品名)のような各種市販材料から選択することもできるが、“オフィス・オブ・セイリーン・ウォーター・リサーチ・アンド・ディベロップメント・プログレス・レポート”No.359(1968)に記載された方法に従って製造することができる。
(2) Method for Forming Support Film The microporous support layer used in the present invention is such as "Millipore Filter VSWP" (trade name) manufactured by Millipore Co., Ltd. or "Ultra Filter UK10" (trade name) manufactured by Toyo Filter Paper Co., Ltd. You can choose from a variety of commercially available materials, but the "Office of Saline Water Research and Development Progress Report" No. It can be produced according to the method described in 359 (1968).

微多孔性支持層の形成方法は、具体的には以下の工程を含む。
・微多孔性支持層を形成する樹脂を溶媒に溶かすことで、溶液を得る。
・得られた溶液を基材に塗布する。
・上記樹脂の非溶媒を含む凝固液に浸漬する。
Specifically, the method for forming the microporous support layer includes the following steps.
-A solution is obtained by dissolving the resin forming the microporous support layer in a solvent.
-Apply the obtained solution to the substrate.
-Immerse in a coagulating solution containing the non-solvent of the above resin.

3.複合半透膜の利用
複合半透膜は、プラスチックネットなどの供給水流路材と、トリコットなどの透過水流路材と、必要に応じて耐圧性を高めるためのフィルムと共に、多数の孔を穿設した筒状の集水管の周りに巻回され、スパイラル型の複合半透膜エレメントとして好適に用いられる。さらに、このエレメントを直列または並列に接続して圧力容器に収納した複合半透膜モジュールとすることもできる。
3. 3. Utilization of composite semipermeable membrane The composite semipermeable membrane is provided with a large number of holes together with a supply water flow path material such as a plastic net, a permeation water flow path material such as a tricot, and a film for increasing pressure resistance as needed. It is wound around a cylindrical water collecting pipe, and is suitably used as a spiral type composite semipermeable membrane element. Further, the elements can be connected in series or in parallel to form a composite semipermeable membrane module housed in a pressure vessel.

また、上記の複合半透膜やそのエレメント、モジュールは、それらに供給水を供給するポンプや、その供給水を前処理する装置などと組み合わせて、流体分離装置を構成することができる。この分離装置を用いることにより、供給水を飲料水などの透過水と膜を透過しなかった濃縮水とに分離して、目的にあった水を得ることができる。 Further, the above-mentioned composite semipermeable membrane, its elements, and modules can be combined with a pump for supplying supply water to them, a device for pretreating the supplied water, and the like to form a fluid separation device. By using this separation device, the supplied water can be separated into permeated water such as drinking water and concentrated water that has not permeated the membrane, and water suitable for the purpose can be obtained.

本発明に係る複合半透膜によって処理される供給水としては、海水、かん水、排水等の500mg/L以上100g/L以下のTDS(Total Dissolved Solids:総溶解固形分)を含有する液状混合物が挙げられる。一般に、TDSは総溶解固形分量を指し、「質量÷体積」あるいは「重量比」で表される。定義によれば、0.45ミクロンのフィルターで濾過した溶液を39.5℃以上40.5℃以下の温度で蒸発させ残留物の重さから算出できるが、より簡便には実用塩分(S)から換算する。 As the supply water treated by the composite semipermeable membrane according to the present invention, a liquid mixture containing 500 mg / L or more and 100 g / L or less of TDS (Total Dissolved Solids) such as seawater, brackish water, and wastewater is used. Can be mentioned. Generally, TDS refers to the total amount of dissolved solids and is expressed as "mass ÷ volume" or "weight ratio". According to the definition, a solution filtered through a 0.45 micron filter is evaporated at a temperature of 39.5 ° C. or higher and 40.5 ° C. or lower and can be calculated from the weight of the residue, but more simply, the practical salt content (S). Convert from.

流体分離装置の操作圧力は高い方が溶質除去率は向上するが、運転に必要なエネルギーも増加すること、また、複合半透膜の耐久性を考慮すると、複合半透膜に被処理水を透過する際の操作圧力は、0.5MPa以上、10MPa以下が好ましい。供給水温度は、高くなると溶質除去率が低下するが、低くなるにしたがい膜透過流束も減少するので、5℃以上、45℃以下が好ましい。また、供給水pHが高くなると、海水などの高溶質濃度の供給水の場合、マグネシウムなどのスケールが発生する恐れがあり、また、高pH運転による膜の劣化が懸念されるため、中性領域での運転が好ましい。 The higher the operating pressure of the fluid separator, the better the solute removal rate, but the energy required for operation also increases, and considering the durability of the composite semipermeable membrane, water to be treated is applied to the composite semipermeable membrane. The operating pressure for permeation is preferably 0.5 MPa or more and 10 MPa or less. As the supply water temperature increases, the solute removal rate decreases, but as the temperature decreases, the membrane permeation flux also decreases, so that the temperature is preferably 5 ° C. or higher and 45 ° C. or lower. In addition, when the pH of the supplied water becomes high, scales such as magnesium may be generated in the case of supplied water having a high solute concentration such as seawater, and there is a concern that the membrane may deteriorate due to high pH operation. It is preferable to operate in.

以下実施例をもって本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれにより限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the present invention is not limited thereto.

(Xの官能基の同定)
複合半透膜5m2から基材を物理的に剥離させ、多孔性支持層と分離機能層を回収した。25°Cで24時間静置することで乾燥させた後、ジクロロメタンの入ったビーカー内に少量ずつ加えて撹拌し、多孔性支持層を構成するポリマーを溶解させた。ビーカー内の不溶物を濾紙で回収した。この不溶物をジクロロメタンの入ったビーカー内に入れ攪拌し、ビーカー内の不溶物を回収した。この作業をジクロロメタン溶液中に多孔性支持層を形成するポリマーの溶出が検出できなくなるまで繰り返した。回収した分離機能層は真空乾燥機で乾燥させ、残存するジクロロメタンを除去した。得られた分離機能層は凍結粉砕によって粉末状の試料とし、固体NMR法測定に用いられる試料管内に封入して、CP/MAS法、及びDD/MAS法による13C固体NMR測定を行った。13C固体NMR測定には、例えば、Chemagnetics社製CMX−300を用いることができる。測定条件例を以下に示す。
基準物質:ポリジメチルシロキサン(内部基準:1.56ppm)
試料回転数:10.5kHz
パルス繰り返し時間:100s
得られたスペクトルから、各官能基が結合している炭素原子由来のピークごとにピーク分割を行い、分割されたピークの面積から官能基量比を定量した。
(Identification of functional group of X)
The base material was physically peeled off from the composite semipermeable membrane 5 m2, and the porous support layer and the separating functional layer were recovered. After drying by allowing to stand at 25 ° C. for 24 hours, it was added little by little to a beaker containing dichloromethane and stirred to dissolve the polymer constituting the porous support layer. The insoluble matter in the beaker was collected with filter paper. This insoluble matter was placed in a beaker containing dichloromethane and stirred to recover the insoluble matter in the beaker. This operation was repeated until the elution of the polymer forming the porous support layer in the dichloromethane solution could not be detected. The recovered separation functional layer was dried in a vacuum dryer to remove residual dichloromethane. The obtained separation functional layer was made into a powdery sample by freeze-grinding, sealed in a sample tube used for solid-state NMR measurement, and 13C solid-state NMR measurement was performed by CP / MAS method and DD / MAS method. For 13C solid-state NMR measurement, for example, CMX-300 manufactured by Chemagnetics can be used. An example of measurement conditions is shown below.
Reference substance: Polydimethylsiloxane (internal standard: 1.56 ppm)
Sample rotation speed: 10.5 kHz
Pulse repetition time: 100s
From the obtained spectrum, peak division was performed for each peak derived from the carbon atom to which each functional group was bonded, and the functional group amount ratio was quantified from the area of the divided peak.

(ゼータ電位測定)
複合半透膜を超純水で洗浄し、平板試料用セルに、複合半透膜の分離機能層面がモニター粒子溶液に接するようにセットし、大塚電子株式会社製電気泳動光散乱光度計(ELS−8000)により測定した。モニター粒子溶液としては、pH3及びpH10に調整した10mM−NaCl水溶液にポリスチレンラテックスのモニター粒子を分散させた測定液を用いた。
(Zeta potential measurement)
The composite semipermeable membrane is washed with ultrapure water, and the separation functional layer surface of the composite semipermeable membrane is set in contact with the monitor particle solution in the plate sample cell. Electrophoretic light scattering photometer (ELS) manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd. -8000). As the monitor particle solution, a measuring solution in which the polystyrene latex monitor particles were dispersed in a 10 mM-NaCl aqueous solution adjusted to pH 3 and pH 10 was used.

複合半透膜の各種特性は、複合半透膜に、pH7.0に調整した海水(TDS濃度3.5%、ホウ素濃度約5ppm)を操作圧力5.5MPaで供給して膜ろ過処理を24時間行い、その後の透過水、供給水の水質を測定することにより求めた。なお、TDSとはTotal Dissolved Solids
:総溶解固形分の略である。
Various characteristics of the composite semipermeable membrane are such that seawater adjusted to pH 7.0 (TDS concentration 3.5%, boron concentration about 5 ppm) is supplied to the composite semipermeable membrane at an operating pressure of 5.5 MPa to perform membrane filtration treatment. It was determined by measuring the quality of permeated water and supply water after that. What is TDS? Total Dissolved Solids
: Abbreviation for total dissolved solids.

(膜透過流束)
供給水(海水)の膜透過水量を、膜面1平方メートルあたり、1日あたりの透水量(立方メートル)でもって膜透過流束(m3/m2/日)を表した。
(Membrane permeation flux)
The amount of membrane permeation of the supply water (seawater) was expressed as the membrane permeation flux (m3 / m2 / day) by the amount of permeation per day (cubic meter) per square meter of the membrane surface.

(溶質除去率)
(溶質除去率(TDS除去率))TDS除去率(%)=100×{1−(透過水中のTDS濃度/供給水中のTDS濃度)}
(酸アルカリ繰り返し接触試験)
複合半透膜をpH13に調整した水酸化ナトリウム水溶液に25℃雰囲気下、16時間浸漬した。その後pH1に調整した硫酸水溶液に25℃雰囲気下、16時間浸漬した。引き続いて水で十分に洗浄した。この作業を3回繰り返す前後での膜透過流束比とTDSSP比から、耐久性を求めた。なお、SPとはSubstance Permeation:物質透過の略である。
(Solute removal rate)
(Solute Removal Rate (TDS Removal Rate)) TDS Removal Rate (%) = 100 × {1- (TDS Concentration in Permeated Water / TDS Concentration in Supply Water)}
(Acid-alkali repeated contact test)
The composite semipermeable membrane was immersed in an aqueous sodium hydroxide solution adjusted to pH 13 under an atmosphere of 25 ° C. for 16 hours. Then, it was immersed in a sulfuric acid aqueous solution adjusted to pH 1 under an atmosphere of 25 ° C. for 16 hours. Subsequently, it was thoroughly washed with water. Durability was determined from the membrane permeation flux ratio and the TDSSP ratio before and after repeating this operation three times. In addition, SP is an abbreviation for Transparency Permeation: substance permeation.

膜透過流束比=浸漬後の膜透過流束/浸漬前の膜透過流束
TDSSP比=(100−浸漬後のTDS除去率)/(100−浸漬前のTDS除去率)
(膜の作製)
(参考例1)
ポリエステル不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上にポリスルホン(PSf)の16.0質量%DMF溶液を25℃の条件下で200μmの厚みでキャストし、ただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって、多孔性支持膜を作製した。
Membrane permeation flux ratio = Membrane permeation flux after immersion / Membrane permeation flux before immersion TDSSP ratio = (100-TDS removal rate after immersion) / (TDS removal rate after 100-immersion)
(Preparation of membrane)
(Reference example 1)
A 16.0% by mass DMF solution of polysulfone (PSf) was cast on a polyester non-woven fabric (ventilation volume 2.0 cc / cm2 / sec) to a thickness of 200 μm under the condition of 25 ° C., and immediately immersed in pure water 5 A porous support membrane was prepared by leaving it for a minute.

(比較例1)
参考例1により得られた多孔性支持膜をm−フェニレンジアミン(m−PDA)の3質量%水溶液中に2分間浸漬し、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた後、室温40℃に制御した環境で、トリメシン酸クロリド(TMC)0.165質量%を含む40℃のデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して1分間静置したのち、膜を垂直にして余分な溶液を液切りして除去し、架橋芳香族ポリアミド分離機能層を有する複合半透膜を得た。
(Comparative Example 1)
The porous support membrane obtained in Reference Example 1 is immersed in a 3% by mass aqueous solution of m-phenylenediamine (m-PDA) for 2 minutes, the support membrane is slowly pulled up in the vertical direction, and nitrogen is blown from an air nozzle. After removing excess aqueous solution from the surface of the support membrane, a decan solution at 40 ° C. containing 0.165% by mass of trimesic acid chloride (TMC) was applied so that the surface was completely wet in an environment controlled at room temperature of 40 ° C. After allowing to stand for 1 minute, the membrane was made vertical and the excess solution was drained and removed to obtain a composite semipermeable membrane having a crosslinked aromatic polyamide separation functional layer.

(比較例2)
(3−ビニルイミダゾリオ)アセタート50mM、N,N−ジメチルアクリルアミド 50mM、N−ヒドロキシエチルアクリルアミド50mM、光重合開始剤2,2−ジメトキシ−2−フェニルアセトフェノン10mMの混合水溶液に、UV照射装置によって365nmの紫外線を照射することで、重合体溶液を得た。UV照射装置の照射強度は、紫外線積算光量計で測定される値が20mW/cm2となるように設定した。この重合体溶液3%の水溶液にジビニルスルホンが1%となるように添加した混合水溶液を、比較例1により得られた複合半透膜に塗布後、スピンコートで余分の溶液を除去し、80℃の熱風乾燥機で3分間保持し、ポリマーコートした比較例2の複合半透膜を得た。
(Comparative Example 2)
(3-Vinyl imidazorio) Acetate 50 mM, N, N-dimethylacrylamide 50 mM, N-hydroxyethyl acrylamide 50 mM, photopolymerization initiator 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone 10 mM mixed aqueous solution, 365 nm by UV irradiation device A polymer solution was obtained by irradiating with the ultraviolet rays of. The irradiation intensity of the UV irradiation device was set so that the value measured by the ultraviolet integrated light meter was 20 mW / cm2. A mixed aqueous solution prepared by adding divinyl sulfone to a 3% aqueous solution of the polymer solution so as to be 1% was applied to the composite semipermeable membrane obtained in Comparative Example 1, and then the excess solution was removed by spin coating. The mixture was kept in a hot air dryer at ° C. for 3 minutes to obtain a polymer-coated composite semipermeable membrane of Comparative Example 2.

(比較例3)
((3−メタクリロイルアミノ)プロピル)−ジメチル(3−スルホプロピル)−アン
モニウムヒドロキシド、ポリ(エチレングリコール)メタクリレート、及びポリ(エチレ
ングリコール)ジメチルアクリレートを混合した後、2,2'-アゾビス(2-メチルプロピオンアミジン)二塩酸塩を用いてラジカル重合法で60℃で1時間反応させた後、グリシジルメタクリレートを投入して60℃で1時間さらに反応させ、重合体溶液を得た。重合体0.05%の水溶液を、比較例1により得られた複合半透膜に塗布後、スピンコートで余分の溶液を除去し、80℃の熱風乾燥機で3分間保持し、ポリマーコートした比較例3の複合半透膜を得た。
(Comparative Example 3)
After mixing ((3-methacryloylamino) propyl) -dimethyl (3-sulfopropyl) -ammonium hydroxide, poly (ethylene glycol) methacrylate, and poly (ethylene glycol) dimethyl acrylate, 2,2'-azobis (2) After reacting with -methylpropionamidine) dihydrochloride at 60 ° C. for 1 hour by a radical polymerization method, glycidyl methacrylate was added and further reacted at 60 ° C. for 1 hour to obtain a polymer solution. An aqueous solution of 0.05% of the polymer was applied to the composite semipermeable membrane obtained in Comparative Example 1, the excess solution was removed by spin coating, and the mixture was held in a hot air dryer at 80 ° C. for 3 minutes for polymer coating. A composite semipermeable membrane of Comparative Example 3 was obtained.

(実施例1)
比較例1で得られた複合半透膜を、100mmol/Lの4−(4,6−ジメトキシ−1,3,5−トリアジン−2−イル)−4−メチルモルホリニウムクロリドと、カルボキシ基反応性化合物として、化学式4に示す化合物の負荷電Y、正荷電Z、n1、n2がそれぞれ表1に示す通りである化合物を100mmol/L含むpH7の水溶液に25℃で24時間接触させ、実施例1の複合半透膜を得た。
(Example 1)
The composite semipermeable membrane obtained in Comparative Example 1 was mixed with 100 mmol / L 4- (4,6-dimethoxy-1,3,5-triazine-2-yl) -4-methylmorpholinium chloride and a carboxy group. As the reactive compound, a compound having a loading voltage Y, positive charge Z, n1 and n2 of the compound represented by Chemical Formula 4 as shown in Table 1 was brought into contact with an aqueous solution of pH 7 containing 100 mmol / L for 24 hours at 25 ° C. The composite semipermeable membrane of Example 1 was obtained.

Figure 2021023842
Figure 2021023842

(実施例2)
比較例1で得られた複合半透膜を、100mmol/Lの4−(4,6−ジメトキシ−1,3,5−トリアジン−2−イル)−4−メチルモルホリニウムクロリドと、カルボキシ基反応性化合物として化学式4に示す化合物の負荷電Y、正荷電Z、n1、n2がそれぞれ表1に示す通りである化合物を100mmol/L含むpH7の水溶液に25℃で2時間接触させ、さらに酢酸を100mmol/Lになるよう添加した後20時間接触させ、実施例2の複合半透膜を得た。
(Example 2)
The composite semipermeable membrane obtained in Comparative Example 1 was mixed with 100 mmol / L 4- (4,6-dimethoxy-1,3,5-triazine-2-yl) -4-methylmorpholinium chloride and a carboxy group. As the reactive compound, the compound having the loading voltage Y, positive charge Z, n1 and n2 of the compound represented by Chemical Formula 4 as shown in Table 1 is brought into contact with an aqueous solution of pH 7 containing 100 mmol / L for 2 hours at 25 ° C., and acetic acid is further prepared. Was added to 100 mmol / L and then contacted for 20 hours to obtain a composite semipermeable membrane of Example 2.

(実施例3)
実施例1で得られた複合半透膜を、さらに1重量%ペルオキシ一硫酸カリウム水溶液中に30分浸漬し、0.1重量%亜硫酸水素ナトリウム水溶液に10分浸漬させた後、水で洗い流し、実施例3の複合半透膜を得た。
(実施例4)
カルボキシ基反応性化合物を10mmol/Lとしたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例4の複合半透膜を得た。
(Example 3)
The composite semipermeable membrane obtained in Example 1 was further immersed in a 1 wt% potassium peroxymonosulfate aqueous solution for 30 minutes, immersed in a 0.1 wt% sodium hydrogen sulfite aqueous solution for 10 minutes, and then rinsed with water. A composite semipermeable membrane of Example 3 was obtained.
(Example 4)
A composite semipermeable membrane of Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the carboxy group-reactive compound was set to 10 mmol / L.

(実施例5、6)
カルボキシ基反応性化合物として、化学式4に示す化合物の正荷電、負荷電がそれぞれ表1に示す通りである化合物を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例5、6の複合半透膜を得た。
(Examples 5 and 6)
As the carboxy group-reactive compound, the composite semipermeable membranes of Examples 5 and 6 were used in the same manner as in Example 1 except that the compounds shown in Chemical Formula 4 had positive charges and negative charges as shown in Table 1, respectively. A permeable membrane was obtained.

(実施例7〜9)
カルボキシ基反応性化合物として、化学式4に示す化合物の正荷電、負荷電がそれぞれ表1に示す通りである化合物を用いた以外は、実施例4と同様にして、実施例7〜9の複合半透膜を得た。
(Examples 7 to 9)
As the carboxy group-reactive compound, the composite semipermeable membranes of Examples 7 to 9 were used in the same manner as in Example 4 except that the compounds shown in Chemical Formula 4 had positive charges and negative charges as shown in Table 1, respectively. A permeable membrane was obtained.

以上の比較例、実施例で得られた複合半透膜の有する半脂肪族アミド基とカルボキシ基のモル比(半脂肪族アミド基/カルボキシ基)×10をx、pH3における表面ゼータ電位とpH10における表面ゼータ電位の差、製造時性能、酸アルカリ繰り返し劣化試験後の性能を表2に示す。実施例に示すように、本発明の複合半透膜は、高い透水性能と除去性能を持ち、かつ酸とアルカリに繰り返し接触後も高い性能を有することが分かる。 Above comparative example, the molar ratio (semi-aliphatic amido group / carboxyl group) × 10 2 semi aliphatic amide group and a carboxyl group of the composite semipermeable membrane obtained in Example and the surface zeta potential in x, pH 3 Table 2 shows the difference in surface zeta potential at pH 10, the performance during production, and the performance after the acid-alkali repeated deterioration test. As shown in Examples, it can be seen that the composite semipermeable membrane of the present invention has high water permeability and removal performance, and also has high performance even after repeated contact with acid and alkali.

Figure 2021023842
Figure 2021023842

Figure 2021023842
Figure 2021023842

Claims (4)

両性荷電基を有する低分子で末端基変換したポリアミド
微多孔性支持層と、前記微多孔性支持層上に設けられた分離機能層を有する複合半透膜であって、前記分離機能層が架橋芳香族ポリアミドを含有し、かつ前記ポリアミドが(1)であらわされる部分構造を有することを特徴とする複合半透膜。
Figure 2021023842
(Ar1〜3は置換基を有していてもよい炭素数5〜14の芳香族環であり、R1〜R3は水素原子または炭素原子1〜10の脂肪族鎖であり、Xは少なくとも1つの正荷電基と少なくとも1つの負荷電基を有する原子団であり、かつXに含まれる炭素数が20以下である。)
A composite semipermeable membrane having a polyamide microporous support layer having an amphoteric charged group and having a terminal group converted, and a separation functional layer provided on the microporous support layer, and the separation functional layer is crosslinked. A composite semipermeable membrane containing an aromatic polyamide and having the partial structure represented by (1).
Figure 2021023842
(Ar1 to 3 are aromatic rings having 5 to 14 carbon atoms which may have a substituent, R1 to R3 are hydrogen atoms or aliphatic chains of carbon atoms 1 to 10, and X is at least one. It is an atomic group having a positively charged group and at least one loaded electric group, and the number of carbon atoms contained in X is 20 or less.)
前記分離機能層のpH3における表面ゼータ電位とpH10における表面ゼータ電位の差が20mV以下であることを特徴とする請求項1記載の複合半透膜。 The composite semipermeable membrane according to claim 1, wherein the difference between the surface zeta potential at pH 3 and the surface zeta potential at pH 10 of the separation functional layer is 20 mV or less. 前記分離機能層の部分構造(1)において、正荷電基は置換基を有していても良いイミダゾリウム基またはピリジニウム基であり、かつ、負荷電基は下記構造群から選ばれる基である請求項1または2に記載の複合半透膜。
Figure 2021023842
In the partial structure (1) of the separation functional layer, the positively charged group is an imidazolium group or a pyridinium group which may have a substituent, and the loaded electric group is a group selected from the following structural group. Item 2. The composite semipermeable membrane according to Item 1 or 2.
Figure 2021023842
前記分離機能層における半脂肪族アミド基とカルボキシ基のモル比(半脂肪族アミド基/カルボキシ基)×10をxとしたとき、2.5≦xである請求項1〜3のいずれかに記載の複合半透膜。
半脂肪族アミド基:アミド基の両隣の原子団がそれぞれ脂肪族鎖及び芳香族鎖であるアミド基
x:半脂肪族アミド基/カルボキシ基
Wherein the molar ratio of the semi-aliphatic amido groups and carboxyl groups in the separating functional layer when the (semi aliphatic amido group / carboxyl group) × 10 2 was x, any one of claims 1 to 3 is 2.5 ≦ x The composite semipermeable membrane according to.
Semi-aliphatic amide group: An amide group in which the atomic groups on both sides of the amide group are an aliphatic chain and an aromatic chain, respectively.
x: Semi-aliphatic amide group / carboxy group
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